黏土混凝土防滲墻檢測技術(shù)研究及應(yīng)用

樓 加 丁，　劉 驊 標，　葉　勇，　江 曉 濤

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽　550081)

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黏土混凝土防滲墻檢測技術(shù)研究及應(yīng)用

樓 加 丁，劉 驊 標，葉勇，江 曉 濤

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽550081)

摘要：塑性混凝土作為防滲墻墻體材料根據(jù)其抗壓強度和彈性模量，可分為剛性和柔性材料。防滲墻的強度、彈性模量、滲透系數(shù)等指標，需進行了配合比試驗，篩選出了符合工程要求的施工配合比。防滲墻施工質(zhì)量的檢測一直是個棘手的問題，傳統(tǒng)檢測手段還是靠鉆孔取芯，對芯樣進行室內(nèi)力學試驗，檢測方法不僅單一，而且破壞原防滲墻結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)實際情況，利用防滲墻體的預(yù)埋管，采用無損檢測方法，在滿足工程質(zhì)量檢測同時，又能提高檢測效率，實踐證明，采用綜合檢測手段能滿足塑性混凝土質(zhì)量要求。

關(guān)鍵詞：黏土混凝土芯墻；技術(shù)指標；質(zhì)量檢測；質(zhì)量評價

0引言

塑性混凝土防滲墻具有良好的防滲性能與彈性模量變化大的特點，在水利工程加固處理中得到較為廣泛應(yīng)用，據(jù)有關(guān)資料查找(不完全統(tǒng)計)，我國在1965年金川峽水庫采用塑性混凝土防滲墻后，已有近百座水庫采用黏土混凝土防滲墻，墻厚60～100cm，墻深在20～100m之間，抗?jié)B等級可達到W8。塑性混凝土防滲墻根據(jù)其抗壓強度和彈性模量，可分為剛性和柔性材料，兩種材料作防滲墻均能滿足大竹河水庫大壩滲漏處理要求，但從防滲的可靠性、耐久性、工程的重要性以及施工的方便性考慮，選取了黏土混凝土防滲墻方案。

防滲墻受施工方法和各中實際因素的影響，容易出現(xiàn)澆筑不均勻、分層、夾泥等現(xiàn)象，有必要對防滲墻質(zhì)量檢測方法進行研究[7]。文獻[1-6]中提出了無損檢測方法，對工程質(zhì)量控制起到好的效果，但從檢測方法角度上考慮不夠完善，地質(zhì)雷達和垂直反射法檢測深度有限；地震波CT雖能直觀反映墻體介質(zhì)分布的連續(xù)性及存在的缺陷[6]，但由于地震波頻率低，檢測精度受到限制；單孔聲波雖然能檢測微小的缺陷，但只局限于鉆孔中；聲波對穿也受限于鉆孔，穿透距離僅為3m左右。水利水電防滲墻施工規(guī)范明確規(guī)定質(zhì)量檢查在28d后進行，采用的手段可用鉆孔取芯和無損檢測。筆者從工程實際出發(fā)，利用防滲墻上的少量鉆孔[13]，采用綜合的檢測方法[3]，進行墻體質(zhì)量評價，達到預(yù)期的檢測目的。

1黏土混凝土芯墻的技術(shù)指標

在混凝土中摻加一定量的黏土，不僅可以節(jié)約水泥，還可以降低混凝土的彈性模量，使混凝土具有更好的變形性能，同時也改變了混凝土的和易性便于鉆鑿接頭孔。影響?zhàn)ね粱炷练罎B墻強度最重要的因素是水灰比，其次是摻土率，摻土率越大，彈性模量越低，但摻土率達到一定程度后則變化不大。有關(guān)試驗表明[14]，只摻膨潤土的塑性混凝土和只摻黏土的混凝土及同時摻加膨潤土和黏土的塑性混凝土的在抗壓強度(R)和彈性模量(E)存在一定相關(guān)關(guān)系，這就決定了黏土混凝土配合比設(shè)計的難度和復(fù)雜性。黏土混凝土防滲墻主要適用于中等水頭的大壩或基礎(chǔ)的防滲體，配合比的特點是水泥用量比黏土混凝土少，具有初始彈性模量低，極限變形大，滲透系數(shù)低的特點，能適應(yīng)較大的變形，有利于改善防滲墻體的應(yīng)力狀態(tài)。長江委設(shè)計院對四川攀枝花大竹河水庫黏土混凝土芯墻提出了以下具體指標：抗壓強度R28≧10MPa；彈性模量E0≦15 000MPa；滲透系數(shù)K≦1×10-7cm/s；抗?jié)B等級W8；澆筑時混凝土坍落度要求在18～24cm；凝結(jié)時間：初凝>6.0h，終凝<24.0h。

2黏土混凝土芯墻質(zhì)量檢測方法

建成后的黏土防滲墻的強度和彈性模量等力學指標，一般不宜通過打孔取芯檢測獲取，通常采用對機口取樣28d后在室內(nèi)試驗，對照設(shè)計指標，作出正確評價。在施工中，黏土混凝土防滲墻體有自身的特點，需進行嚴謹?shù)氖┕ず陀行У馁|(zhì)量監(jiān)控措施[8]。黏土混凝土防滲墻的質(zhì)量檢測，主要針對已澆筑的黏土混凝土的物理力學性能的檢查，包括抗壓強度、彈性模量、抗?jié)B標號(或抗?jié)B系數(shù))、防滲墻的連續(xù)性和接頭孔的連接質(zhì)量[9]，宜采用無損的檢測方法。因受到客觀條件、檢測手段、精度、認識局限性等多要素影響，檢測方應(yīng)根據(jù)設(shè)計提出的混凝土質(zhì)量指標，提出具體檢測方案和檢測手段，以無損方法為主，配合少量鉆孔取芯，達到控制防滲墻質(zhì)量目的[10-13]。大竹河水庫黏土滲墻質(zhì)量檢查采用的方法為鉆孔取芯法、超聲波法、層析成像(CT)、鉆孔彈模、注水試驗及巖芯樣室內(nèi)試驗等。

3黏土混凝土芯墻質(zhì)量評價

3.1單孔聲波檢測

采用特殊施工的鉆探工藝，在芯墻上鉆取3個近20m深的孔(表1)。在孔中均進行了單孔聲波測試，波速在2 960～3 450m/s之間，平均波速3 090m/s。由于三個孔成孔時間不同，波速略有差異，隨著時間推移，平均波速略有增加，但增加幅度不大。

防滲墻材料為C10黏土混凝土，根據(jù)業(yè)主及施工單位現(xiàn)場在DF-6、DF-8、DF-10、DF-18、DF-20、DF-24、DF-32、DF-35槽段所取30個試塊在達到養(yǎng)護期后進行了波速測試，波速在2 950～3 400m/s之間，平均波速為3 180m/s。對照試取芯孔所在壩段對應(yīng)的試塊波速測試值，檢查孔平均波值比試塊平均波速值低約100m/s。

表1　大竹河水庫防滲墻檢測單孔聲波測試成果表

3.2鉆孔全景數(shù)字成像

a　　　　　　　　　　　　　　　b　　　　　　　　　　　　　　　　c圖1　防滲墻鉆孔全景數(shù)字成像圖

對防滲墻上實施的3個取芯孔均進行了鉆孔全景數(shù)字成像。從鉆孔全景數(shù)字成像圖及所取的芯樣觀察可知：3個鉆孔的全景圖像絕大部分均勻、光滑平整，墻體混凝土膠結(jié)密實，未發(fā)現(xiàn)明顯不良缺陷(圖1-a)；僅在QTZK-3號孔深16.7～16.8m存在粘土攪拌不勻或密實度稍差之微小缺陷(圖1-b)；在QTZK-5孔深10.8m左右發(fā)現(xiàn)細微裂縫，裂縫長10cm左右，僅在孔壁一側(cè)面可見，并未貫穿墻體，不影響墻體質(zhì)量(圖1-c)。3.3鉆孔動彈模量

在防滲墻上實施的兩個檢查孔進行了鉆孔彈性模量測試，共完成了14個點的彈性模量測試工作，彈性模量值在7.2～9.4GPa之間，平均8.4GPa。測試數(shù)據(jù)顯示，隨著測試深度增加，彈性模量值也略有降低，墻體實測的彈性模量值略低于設(shè)計要求。

3.4注水試驗

在防滲墻的3個鉆孔中進行了10段注水試驗，注水試驗結(jié)果顯示(9.98×10-8～6.1×10-7cm/s)，防滲墻黏土混凝土的滲透系數(shù)在4.99×10-8～6.1×10-7cm/s之間 ，均滿足設(shè)計要求。

3.5聲波CT

防滲墻及墻下帷幕聲波CT檢測分2個階段進行，第一階段是利用在防滲墻施工中預(yù)埋的帷幕灌漿管孔進行墻體質(zhì)量檢測；第二階段是利用在防滲墻施工中預(yù)埋管對墻下帷幕灌漿質(zhì)量孔進行檢測。以防滲墻中某典型CT剖面中不同深度的波速和頻率進行綜合分析，該剖面深度35m，黏土混凝土防滲墻深31.5m，31.5m以下為基巖。

3.5.1波速

1 m處波形及主頻圖(聲時3.20 ms，波速3 570 m/s，主頻 631 Hz)

2 m處波形及主頻圖(聲時3.32 ms，波速3 430 m/s，主頻423 Hz)

3 m處波形及主頻圖(聲時3.40 ms，波速3 350 m/s，主頻357 Hz)

6 m處波形及主頻圖(聲時3.50 ms，波速3 260 m/s，主頻232 Hz)

13 m處波形及主頻圖(聲時3.68 ms，波速3 100 m/s，主頻152 Hz)

20 m處波形及主頻圖(聲時3.82 ms，波速2 980 m/s，主頻79 Hz)

巖體的波速是評價巖體的強度與完整性重要參數(shù)之一。從下圖2中可看到，黏土混凝土防滲墻體大功率波速在2 850～3 600m/s之間，平均波速為3 350m/s；波速從上到下逐漸遞減是由于防滲墻的混凝土凝受當?shù)靥厥鈿夂虻挠绊?，上部凝固快，下部凝固慢。進入基巖后波速上升速度變的很快，除基巖與防滲墻接觸帶波速略低于基巖外，下部巖體較完整(圖2)。3.5.2防滲墻聲波CT主頻分析

波速雖然是評價巖體的強度與完整性重要參數(shù)，但巖體的頻率也是一個非常重要的參數(shù)。聲波傳播過程中的主頻變化也可以從另一個方面評價巖體的強度、致密性與完整性。一般情況下，聲波的主頻(核心頻率)越高則說明巖體的致密性越好，強度越高，對于混凝土中細微的缺陷(如裂縫等)用波速值無法判斷，通常只能借助于頻率變化來判斷。從圖3可知32m處是防滲墻與基巖的接觸帶，波形和對應(yīng)的頻譜值與上部黏土混凝土和下部基巖有很大改變。

3.5.3防滲墻下基巖聲波CT主頻分析

35 m處波形及主頻圖(聲時2.0 ms，波速5 700 m/s，主頻769 Hz)圖3　防滲墻下基巖聲波CT波形和對應(yīng)頻譜圖

在防滲墻和基巖接觸帶頻率和波速變化都很大(圖3)，進入基巖后，底部巖體不發(fā)生變化，頻率和波速基本不變。

3.5.4綜合分析

聲波CT檢測過程中發(fā)現(xiàn)墻體不同深度其波速差異不大，而主頻變化梯度較大。表2對防滲墻上所有CT剖面的主頻、特征波速值進行了分段統(tǒng)計，波速和主頻隨深度的變化見圖4-1和圖4-2。近地表1～3m，防滲墻的平均波速≧3 400m/s，主頻一般大于450Hz，說明近地表深度范圍內(nèi)黏土混凝土由于地表溫度高，混凝土固結(jié)快，強度較高、致密性較好；深度在3～8m的范圍內(nèi)，聲波主頻主頻從450Hz降到200Hz左右，平均波速為3 250m/s，波速變化較小，說明混凝土固結(jié)稍慢，強度及致密性沒有近地表混凝土好；9～25m頻率在200～100Hz之間變化，平均波速在3 050m/s；隨著深度增加頻率衰減變緩，25m以下頻率低于100Hz，平均波速為2 960m/s，波速與頻率逐漸趣于穩(wěn)定。

表2　大竹河水庫防滲墻聲波CT、主頻分段統(tǒng)計表

圖4-1　波速隨深度變化趨勢圖

圖4-2　主頻隨深度變化趨勢圖

3.6巖芯樣室內(nèi)試驗

對防滲墻上的QTZK-1、QTZK-3和QTZK-5共計3個鉆孔，進行了7組試驗，試驗參數(shù)包括密度、抗壓強度、彈性模量、三軸試驗、滲透系數(shù)及滲透比降、抗?jié)B等級等，試驗和鉆孔中無損檢測結(jié)果見表3。

表3　大竹河水庫防滲墻聲波室內(nèi)試驗、無損檢測結(jié)果統(tǒng)計表

黏土混凝土墻體波速在2 960～3 450m/s之間，滿足C10黏土混凝土波速要求(試塊波速在2 950～3 400m/s之間，平均3 180m/s)。黏土混凝土防滲墻力學指標：抗壓強度10.9～19.6MPa，平均14.8MPa；彈性模量8.6～15.6GPa，平均11.6GPa；滲透系數(shù)4.99×10-8～6.1×10-7cm/s；抗?jié)B等級達到W8，黏土混凝土防滲墻較均質(zhì)，墻體未發(fā)現(xiàn)較大的缺陷，僅局部存在粘土攪拌不勻或密實度稍差之微小缺陷，防滲墻施工質(zhì)量符合設(shè)計要求。

4結(jié)語

大竹河水庫工程防滲墻質(zhì)量檢測采用了以無損檢測為主，配合少量鉆孔并在鉆孔中進行波速和彈模測試。試驗和無損檢測結(jié)果表明，防滲墻墻體整體均勻，致密性較好，墻體底部淤積少；局部致密性略差，平均波速大于3 000m/s，對應(yīng)的混凝土強度為10MPa左右，經(jīng)過近一年試蓄水檢驗，防滲墻施工的各項指標滿足設(shè)計要求。

對塑性混凝土防滲墻成墻質(zhì)量的檢查，規(guī)范中提到的檢測方法有鉆孔取芯法、超聲波法等，由于塑性混凝土的強度較低，不宜采用鉆孔取芯的方法對成墻混凝土物理力學性能的檢查，只能在混凝土澆筑時，現(xiàn)場取樣成型試件，用試件的試驗結(jié)果代替防滲墻的實際性能指標，這種檢測法存在局限性，應(yīng)采用無損檢測方法全面檢測防滲墻的連續(xù)性和接頭孔的連接質(zhì)量。

塑性混凝土與常規(guī)混凝土防滲墻一樣都需進行質(zhì)量檢測，由于塑性混凝土的發(fā)展史短，在建工程中塑性混凝土的防滲墻的配合比存在較大差異，在檢測前應(yīng)周密、詳細地做好檢測方案，檢測方法也需進行相應(yīng)的調(diào)整，防滲墻施工質(zhì)量檢測應(yīng)在28天后。

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樓加丁(1962-)，男，貴州貴陽人，畢業(yè)于桂林理工大學地球物理專業(yè)，教授級高級工程師，主要從事水利水電工程物探研究及管理工作；

劉驊標(1989-)，男，貴州貴陽人，畢業(yè)于貴州大學地質(zhì)工程專業(yè)，助理工程師，主要從事工程地質(zhì)方面工作；

葉勇(1960-)，男，貴州貴陽人，畢業(yè)于貴州大學地質(zhì)專業(yè)，高級工程師，主要從事工程地質(zhì)方面工作；

江曉濤(1986-)，男，重慶江津人，畢業(yè)于成都理工大學地球物理專業(yè)，助理工程師，主要從事工程物探方面工作.

(責任編輯：卓政昌)

收稿日期:2015-11-11

文章編號:1001-2184(2015)06-0164-05

文獻標識碼:B

中圖分類號:TU528.32；TV223.4+2；V448.15+1

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